Biological phosphorus removal coupled with nitritation-denitritation for low carbon/nitrogen wastewater treatment systems

Abstract

The side-treatment of reject water has emerged an attractive option over the past years due to its potential for relieving nutrient loading of the main-stream processes, while removing nitrogen at a reduced cost. This is achieved by the suppression of Nitrite Oxidizing Bacteria (NOB) due to the high Free Ammonia (FA) concentrations that characterize reject waters and the implementation of the nitritation/denitritation pathway, which compared to conventional nitrification/denitrification, has a lower demand in oxygen and carbon. While these conditions are beneficial for nitrogen removal, this is not the case for enhanced biological phosphorus removal (EBPR), as polyphosphate accumulating organisms (PAOs) have been reported to be severely inhibited by nitrite accumulations. More specifically, free nitrous acid (FNA), which is the protonated form of nitrite, has been revealed to be the actual inhibitor of PAOs, meaning that the severity to which PAOs are inhibited by nitrite increases significantly at lower pH. The degree to which PAOs have been reported to be inhibited by FNA itself varies in the literature, as does the tolerance of each respiration pathway (aerobic/anoxic), with contradictory conclusions. In addition, it has recently come to light that FA is also an inhibitor of PAOs, although research on this matter is rather limited as of this point. Regardless, the conditions of nitritation/denitritation appear to be hostile for PAOs and the application of EBPR, raising the question if the coupling of these processes is feasible. The goal of this dissertation is to provide an answer to this question. To this end, the following objectives were established: First was an extensive assessment of the inhibitory effect of FNA on PAOs, both under aerobic and anoxic conditions, with consideration to biomass acclimation to the inhibitor. This aims to settle disputes in the literature but also determine the mode of inhibition which has yet to be established. Second was to determine the effect of FA on PAOs along with its respective mode of inhibition, for which little information is available. Third was to assess the combined effect of FNA and FA on PAOs and develop a unified inhibition model. Fourth was the assessment of the effect of FNA and FA on the main antagonistic microbial group towards PAOs, namely glycogen accumulating organisms (GAOs). This assessment is of value, as a possible higher tolerance of GAOs to these inhibitors could indicate that PAOs face the danger of washing out even in relatively mild inhibitory conditions. Fifth was to develop strategies for the proliferation of PAOs and the suppression of GAOs under inhibitory conditions, and sixth was to optimize conditions for the prevalence of PAOs in high nitrogen loading systems and assess the limits of EBPR under these conditions, ultimately completing the aim of this work. In order to investigate the effects of FNA and FA on PAOs and GAOs, a laboratory-scale sequencing batch reactor (SBR) was set-up in the Sanitary Engineering Laboratory of the School of Civil Engineering, NTUA for their cultivation. The SBR operated from September 2017 to April 2021 with several resets and intermediate breaks, depending on the investigation phase. The SBR’s configuration was altered for each experimental period based on the specific goals of that phase but was generally based on the alternation of an anaerobic phase, at the start of which feed would enter via pump, an aerobic phase, achieved via air pump and an anoxic phase. While these phases were automated, settling and decanting was carried out manually, once per day. Feed consisted of synthetic wastewater, that was prepared on a daily basis, the composition of which was specific to each investigation. During each experimental period, once the reactor had displayed a steady performance, a series of ex-situ batch experiments were conducted on sludge retrieved from the SBR. The effect of FNA and FA on PAOs was determined based on their effect on the aerobic and anoxic phosphorus uptake rate (PUR) of the biomass. In the case of GAOs, the effect of FNA and FA was evaluated based on their effect on the maximum growth rate of the biomass. This required the development of a very highly GAO-enriched biomass (>90% of the total microbial population). In addition to the ex-situ experiments, a series of strategies, based on the choice of substrate and the SBR configuration, for the promotion of PAOs over GAOs, were evaluated in-situ. The investigation regarding the effect of FNA on PAOs revealed that both aerobic and anoxic PUR are significantly inhibited by FNA and to the same degree (meaning that FNA affects PAOs regardless of the respiration pathway). For an acclimated biomass, FNA was found to inhibit PUR by 50% at the concentration of 1.5 μg N/L and by 100% at a concentration just over 13 μg N/L. PUR inhibition by FNA was determined to be best described by a non-competitive inhibition model with an inhibition constant of KiFNA=1.5 μg N/L. The investigation regarding the effect of FA on PAOs concluded that FA is also a strong inhibitor of PAOs, with PUR being inhibited by more than 90% at the FA concentration of 30 mg N/L. Similarly to the case of FNA, FA appeared to inhibit the aerobic and anoxic pathway to the same degree. PUR inhibition by FA was determined to be best described by an uncompetitive inhibition model with a KiFA in the range of 8-10 mg N/L. In the case of anoxic PUR inhibition, the inhibition model proposed by Levenspiel gave the most satisfactory fit with the experimental data. The simultaneous presence of FA and FNA has a much more adverse effect on PUR compared to when PAOs were exposed to a single inhibitor. An enzymatic inhibition model was developed to describe simultaneous inhibition of PUR by FNA and FA, based on the separate inhibition models that were established. The combined inhibition model gave very satisfactory predictions when FNA and FA were assumed to be capable of binding to the same enzyme-substrate complex, and less accurate predictions when FNA and FA were assumed to be incapable of binding to the same complex. This inhibition model may be used to predict the performance of PAOs throughout a specific set of conditions (NH4 & NO2 concentrations, pH and temperature) but also determine an optimum variation of pH for PUR throughout the processes of nitritation and denitritation. The investigation regarding the effect of FNA on GAOs revealed that GAOs are also inhibited by FNA, although generally to a lesser extent than PAOs. Interestingly, the effect of FNA on the growth of GAOs appears to be pH dependant, with FNA affecting GAOs significantly more at higher pH values (At pH=7, GAO growth was inhibited by 50% at the FNA concentration of 10 μg N/L, while at the pH of 8, the same degree of inhibition was observed at the concentration of 3 μg N/L). In comparison to PAOs, GAOs appear to have a significantly higher tolerance to FNA at low pH, while at relatively high pH (8), the tolerance of the two microbial groups to FNA are similar. However, the investigation on the effect of FA on GAOs revealed that GAOs were not affected by the inhibitor, up to a concentration of 16.3 mg N/L, which was the highest FA concentration studied. It may therefore be concluded that the prevailing conditions in high nitrogen loading systems may provide a significant advantage to GAOs, endangering the sustainability of PAOs. A series of feeding strategies that were examined revealed that strategies that have been applied successfully for the suppression of GAOs and the proliferation of PAOs, may not hold up under the inhibitory conditions of nitritation/denitritation systems. However, one strategy that proved most successful was the promotion of PAOs via the denitritation pathway, using propionate as the sole carbon source. The strategy relies on the fact that all known GAOs appear incapable of reducing nitrite with propionate and is achieved by providing PAOs priority in the utilization of nitrite over common heterotrophs. At a volumetric nitrogen loading rate (vNLR) of 0.1 kg N/m3 d, this strategy achieved a highly PAO-enriched biomass (approximately 50% of the total microbial community), in which the population of GAOs was significantly low. The biomass displayed a steady capacity for excellent P-removal both under aerobic and anoxic conditions, performing at an average PUR of 25 and 10 mg P/g VSS h under aerobic and anoxic conditions, respectively. However, a downside of this strategy is that due to the relatively slow denitritation rates of PAOs, its application may require greater anoxic retention times, limiting the potential for treatment of high vNLRs. In a second stage of operation, the increase of the vNLR from 0.1 to 0.15 kg N/m3 d, resulted in the biomass performing at half its former capacity. Based on the combined inhibition model, a series of mathematical simulations were performed in order to evaluate the potential for EBPR alongside nitritation/denitritation in high nitrogen loading systems. The theoretical configuration that was examined was optimized with regard to appropriate alteration of aerobic and anoxic conditions, as to prevent nitrite accumulation and retain a relatively high pH at relatively high values, providing PAOs with an exclusive denitritation period (as to employ the GAO suppression strategy) after the rapid removal of a significant nitrite portion by common heterotrophs which may be achieved by providing a regulated carbon dose, and the quality of the treated effluent. The viability of EBPR was evaluated for several vNLRs up to 0.3 kg N/m3 d, considering the overall inhibition of PAOs, the adequacy of the GAO suppression strategy, the necessity for pH control as to minimize PAO inhibition and the effective achievement of NOB shunt. Based on the results of the simulations and their evaluation, it was concluded that a vNLR of 0.2 kg N/m3 d could allow sufficient and relatively safe EBPR without the need for pH manipulation. Higher vNLR’s, may allow EBPR with some pH control which is costly, while vNLR’s above 0.3 kg N/m3 d likely forbid the application of EBPR, as the inhibitory conditions alone would severely compromise the sustainability of PAOs. In conclusion, the side-stream treatment of reject water with EBPR alongside nitritation/denitritation is feasible, although its application faces certain challenges and requires a series of prerequisites. For one, the GAO-suppression strategy demands the supply of propionate, which would likely need to be provided via fermentation of primary sludge under specific conditions. In general, the implementation of this treatment should only be considered when EBPR in the main treatment facilities is challenged due to a low carbon content of the wastewater. In this case, the simultaneous removal of nitrogen and phosphorus with the same carbon source in order to minimize the demand for external carbon, is a viable option. Otherwise, the limitations of operating at a low vNLR, such as the need for greater reactor volumes, may outweigh the benefits of this approach.

1. Εισαγωγή: Η αποτελεσματική επεξεργασία των αστικών λυμάτων πριν την διάθεσή τους στους υδάτινους αποδέκτες αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την διασφάλιση της καλής ποιότητας των υδάτων. Η βιολογική επεξεργασία στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (ΕΕΛ) στοχεύει πρωτίστως στην απομάκρυνση του βιοαποδομήσιμου οργανικού φορτίου των λυμάτων, του οποίου η διάθεση μπορεί να προκαλέσει προβλήματα αποξυγόνωσης στον αποδέκτη, αλλά και στην απομάκρυνση θρεπτικών (αζώτου και φωσφόρου), των οποίων η ανεξέλεγκτη διάθεση μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα ευτροφισμού. Η βιολογική απομάκρυνση του αζώτου επιτυγχάνεται κατά κανόνα μέσω των διεργασιών νιτροποίησης και απονιτροποίησης. Κατά την νιτροποίηση, μια κατηγορία αυτοτροφικών μικροοργανισμών, γνωστή ως AOB (Ammonium Oxidizing Bacteria), οξειδώνει αρχικά το αμμωνιακό άζωτο, το οποίο αποτελεί την σημαντικότερη μορφή αζώτου στα ανεπεξέργαστα λύματα, προς νιτρώδες άζωτο (νιτρωδοποίηση). Στη συνέχεια, μια δεύτερη κατηγορία αυτότροφων βακτηρίων, γνωστή ως NOB (Nitrite Oxidizing Bacteria), οξειδώνει το παραγόμενο νιτρώδες άζωτο προς νιτρικό άζωτο (νιτρικοποίηση). Οι δύο αυτές επιμέρους διεργασίες συνθέτουν την διαδικασία της νιτροποίησης, η οποία απαιτεί την παροχή οξυγόνου. Στην συνέχεια, απουσία οξυγόνου, ετεροτροφικοί-οργανοτροφικοί μικροοργανισμοί αξιοποιούν τα νιτρικά ως αποδέκτη ηλεκτρονίων για την οξείδωση και απομάκρυνση του οργανικού φορτίου, με την παράλληλη αναγωγή και απομάκρυνση του αζώτου (απονιτροποίηση).Η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου επιτυγχάνεται με την επιλογή μιας συγκεκριμένης κατηγορίας μικροοργανισμών, τα οποία είναι γνωστά ως πολυφωσφορικά βακτήρια (Polyphosphate Accumulating Organisms – PAOs). Όπως υποδηλώνει η ονομασία τους, τα πολυφωσφορικά βακτήρια συνθέτουν υψηλές ποσότητες ενδοκυτταρικά αποθηκευμένων πολυφωσφορικών αλυσίδων, τις οποίες υδρολύουν κάτω από αναερόβιες συνθήκες για την παραγωγή ενέργειας. Η ενέργεια αυτή αξιοποιείται για την συντήρηση των κυττάρων, αλλά και για την δέσμευση διαλυτών οργανικών ενώσεων από τα λύματα και την αποθήκευσή τους ενδοκυτταρικά ως πολυμερή. Στην συνέχεια, παρουσία αποδέκτη ηλεκτρονίων, τα πολυφωσφορικά διασπούν τα αποθηκευμένα μακρομόρια και χρησιμοποιούν την παραγόμενη ενέργεια για κυτταρική σύνθεση και την αναπλήρωση των πολυφωσφορικών τους αλυσίδων, απομακρύνοντας παράλληλα φώσφορο από τα λύματα. Έτσι, με την διάταξη μιας αναερόβιας δεξαμενής ανάντη των βιολογικών δεξαμενών, δίνεται προτεραιότητα στη δέσμευση του διαλυτού οργανικού άνθρακα από τα PAOs, με αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό της ιλύος με αυτά. Η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου επιτυγχάνεται τελικά με την απομάκρυνση της περίσσειας εμπλουτισμένης ιλύος. Η τελική διάθεση της περίσσειας ιλύος προϋποθέτει μια σειρά από επιμέρους επεξεργασίες με στόχο την σταθεροποίησή της και την μείωση του υδάτινου περιεχόμενού της. Κατά τα έργα της ιλύος, παράγονται στραγγίδια τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις αζώτου και φωσφόρου, καθώς επίσης και από έναν σχετικά χαμηλό λόγο άνθρακα προς άζωτο (C:N). Τυπικά, αυτά τα ρεύματα ανακυκλοφορούνται στην κύρια ροή επεξεργασίας, αυξάνοντας την φόρτιση της βιολογικής βαθμίδας. Τα τελευταία χρόνια, η χωριστή επεξεργασία αυτών των ρευμάτων πριν την ανακυκλοφορία τους μελετάται ευρέως ως μία πολύ υποσχόμενη πρακτική. Λόγω της υψηλής συγκέντρωσης αμμωνιακού αζώτου που χαρακτηρίζει τα στραγγίδια αφυδάτωσης (ως αποτέλεσμα της αναερόβιας χώνευσης) καθώς και του υψηλού pH), τα στραγγίδια περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας (Free Ammonia – FA), η οποία είναι γνωστή για την αναχαιτιστική της επίδραση σε μια σειρά από μικροβιακές δραστηριότητες. Ανάμεσα στους μικροοργανισμούς που αναχαιτίζονται από την ελεύθερη αμμωνία είναι και οι υπεύθυνοι για την διεργασία της νιτροποίησης. Ωστόσο, η ελεύθερη αμμωνία αναχαιτίζει τα NOB σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από τα AOB, καθιστώντας εφικτή την παράκαμψη της νιτρικοποίησης. Υπό ανοξικές συνθήκες, τα νιτρώδη μπορούν να αναχθούν με την ίδια ευκολία από τους ετεροτροφικούς μικροοργανισμούς και μάλιστα με μικρότερη κατανάλωση οργανικού άνθρακα. Παράλληλα, με την ακύρωση του δεύτερου σταδίου της νιτροποίησης, η ζήτηση οξυγόνου μειώνεται σημαντικά (περίπου κατά 25%), μειώνοντας την απαίτηση σε αερισμό και κατά προέκταση το κόστος της επεξεργασίας.Παρόλο που η απονιτρωδοποίηση απαιτεί λιγότερο οργανικό άνθρακα συγκριτικά με την πλήρη απονιτροποίηση (περίπου κατά 40%), ο χαμηλός λόγος C:N που χαρακτηρίζει τα στραγγίδια, καθώς και η χαμηλή περιεκτικότητά τους σε εύκολα βιοδιασπάσιμο οργανικό άνθρακα, καθιστά απαραίτητη την προσθήκη μιας εξωτερικής πηγής διαλυτού οργανικού άνθρακα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την απαίτηση για απομάκρυνση της σημαντικής ποσότητας φωσφόρου των στραγγιδίων, καθιστούν την εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου παράλληλα με την απομάκρυνση του αζώτου μέσω νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης ως θεμιτή επιλογή, καθώς άζωτο και φώσφορος μπορούν να απομακρυνθούν χρησιμοποιώντας την ίδια πηγή οργανικού άνθρακα. Ωστόσο, οι συνθήκες που χαρακτηρίζουν τα συστήματα νιτρωδοποίησης /απονιτρωδοποίησης, ενδέχεται να μην επιτρέπουν την βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου, καθώς υπάρχουν αναφορές ότι τα νιτρώδη αναχαιτίζουν τις δραστηριότητες των πολυφωσφορικών βακτηρίων. Συγκεκριμένα, το ελεύθερο νιτρώδες οξύ (Free Nitrous Acid – FNA), το οποίο αποτελεί την πρωτονιωμένη μορφή του νιτρώδους αζώτου, η παρουσία του οποίου ευνοείται σε χαμηλά pH, αναχαιτίζει σε σημαντικό βαθμό τις λειτουργίες των PAOs (Zhou et al., 2007). Ο αναφερόμενος βαθμός στον οποίο αναχαιτίζονται τα PAOs ποικίλει στην βιβλιογραφία και μπορεί να διαφέρει ως προς τον εγκλιματισμό στο FNA καθώς και την οδό που επηρεάζεται (αερόβια/ανοξική). Σε όλες τις περιπτώσεις, η συσσώρευση νιτρωδών που αναμένετται με βάση τις συγκεντρώσεις των αμμωνιακών που απαιτούνται για την αναχαίτιση των NOB, πιθανότατα θα αναστέλλουν σοβαρά τη δραστηριότητα των PAOs και ενδέχεται να απαγορεύουν την εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες. Επιπροσθέτως, υπάρχουν πρόσφατες αναφορές ότι το FA επίσης αναχαιτίζει τα PAOs (Yang et al., 2018), αν και η σχετική έρευνα είναι πολύ περιορισμένη μέχρι στιγμής. Ενώ το FA ευνοείται σε υψηλό pH, το ποσοστό των νιτρωδών στην μορφή του FNA αυξάνεται αντίθετα με το pH. Κατά τη νιτρωδοποίηση, η μετατροπή του αμμωνιακού αζώτου σε νιτρώδες άζωτο συνοδεύεται με μια βιοχημική πτώση του pH, αυξάνοντας έτσι σημαντικά την συγκέντρωση του FNA κατά την διάρκεια της διαδικασίας. Οι συνθήκες για τα PAOs βελτιώνονται κατά την απονιτρωδοποίηση καθώς απομακρύνονται νιτρώδη, ενώ υπάρχει βιοχημική αύξηση του pH. Ωστόσο, η συνδυασμένη επίδραση του FA και του FNA στα PAOs κατά την διάρκεια της αερόβιας φάσης μπορεί να μην επιτρέπει τη βιωσιμότητά τους σε ένα τέτοιο σύστημα. Η κατάσταση για τα PAOs γίνεται ακόμη πιο ζοφερή αν αναλογιστεί κανείς τον ανταγωνισμό τους με μια άλλη ανταγωνιστική μικροβιακή κοινότητα, γνωστή ως GAOs (Glycogen Accumulating Organisms). Ομοίως με τα PAOs, τα GAOs μπορούν να προσλαμβάνουν διαλυτό άνθρακα υπό αναερόβιες συνθήκες χωρίς να συμβάλλουν στην απομάκρυνση του φωσφόρου, καθώς η απαιτούμενη ενέργεια στην περίπτωσή τους παρέχεται μέσω της γλυκόλυσης. Επομένως, σε συνθήκες υψηλών συσσωρεύσεων αμμωνιακού και νιτρώδους αζώτου, η επίδραση των FNA και FA στα GAOs είναι επίσης σημαντική, καθώς μια υψηλότερη ανοχή σε αυτές τις ουσίες θα είχε ως αποτέλεσμα την πιθανή επικράτησή τους έναντι των PAOs και την αποτυχία του βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου.Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, είναι σαφές ότι η επιτυχής εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, για την αποτελεσματική επεξεργασία στραγγιδίων, αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις. Η φόρτιση αζώτου και το pH είναι παράμετροι ιδιαίτερης σημασίας, με τις συγκεντρώσεις των FNA και FA να επηρεάζουν όχι μόνο την επιθυμητή αναχαίτιση των NOB, αλλά και τον ανταγωνισμό μεταξύ των PAOs και GAOs κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης σε διαφορετικό βαθμό, με ενδεχόμενες αρνητικές συνέπειες στην απόδοση. ή ακόμη και την βιωσιμότητα της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες. 2. Ερευνητικοί στόχοιΜε βάση την ανάλυση της διεθνούς βιβλιογραφίας και τα ερευνητικά κενά που επισημάνθηκαν σε αυτήν καθορίσθηκε το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής το οποίο είναι η διερεύνηση της δυνατότητας επίτευξης βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων με χαμηλό λόγο άνθρακα προς άζωτο μέσω νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος αυτός κρίθηκε σκόπιμο να απαντηθούν μία σειρά από ερευνητικά ερωτήματα μέσω των ακόλουθων διερευνήσεων: a) διερεύνηση της αναχαιτιστικής δράσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες καθώς και η ανάπτυξη των σχετικών μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης, b) πειραματική και μαθηματική προσομοίωση της συνδυασμένης επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων, c) διερεύνηση της αναχαιτιστικής δράσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου καθώς και η ανάπτυξη των σχετικών μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης, d) διερεύνηση της επίδρασης του είδους του οργανικού υποστρώματος στον ανταγωνισμό των πολυφωσφορικών βακτηριών και των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης, e) ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – αποιτρωδοποίησης. 3. Διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην αερόβια και ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίωνΗ διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε εγκλιματισμένη και μη-εγκλιματισμένη βιομάζα η οποία καλλιεργήθηκε σε εργαστηριακό αντιδραστήρα SBR. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι με τη μείωση του pH του ανάμικτου υγρού αυξάνεται η αναχαίτιση της διαδικασίας για τις ίδιες συγκεντρώσεις νιτρωδών (Σχήμα 1). Κατά συνέπεια και λαμβάνοντας υπόψη τη χημεία του συστήματος των νιτρωδών διαπιστώνεται ότι η βασική αναχαιτιστική ουσία είναι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ (FNA). Όπως φαίνεται αναλυτικά στο Σχήμα 2, μία συγκέντρωση ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 1,5 μg Ν/L οδηγεί σε 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωφόρου σε αερόβιες συνθήκες, ενώ πλήρης αναχαίτιση καταγράφεται για συγκεντρώσεις ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 13 μg Ν/L. Σύμφωνα με αποτελέσματα στοχευμένων εργαστηριακών πειραμάτων προέκυψε ότι η αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες λόγω του ελεύθερου νιτρώδους οξέος περιγράφεται ικανοποιητικά από ένα non-competitive μοντέλο, η βέλτιστη μαθηματική περιγραφή του οποίου επιτυγχάνεται από το απλό non-competitive μοντέλο αναχαίτισης της σχέσης 1. PUR=PUR_max K_iFNA/(S_FNA+K_iFNA ) (1)όπου KiFNA είναι η σταθερά αναχαίτισης η οποία αντιστοιχεί στη συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος για την οποία καταγράφεται 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες, SFNA είναι η συγκέντρωση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στον αντιδραστήρα και PURmax είναι η μέγιστη ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε συνθήκες απουσίας αναχαιτιστικού παράγονται. Σε αντιστοιχία με τα ανωτέρω διερευνήθηκε επίσης η αναχαιτιστική δράση των νιτρωδών στην ανοξική δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων και ειδικότερα στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες. Η διερεύνηση πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε βιομάζα που καλλιεργήθηκε σε αντιδραστήρα SBR. Τα αποτελέσματα των σχετικών πειραμάτων καταδεικνύουν ότι όπως και στην περίπτωση των αερόβιων συνθηκών, έτσι και στις ανοξικές συνθήκες η αναχαιτιστική ουσία είναι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ παρά τα νιτρώδη (Σχήματα 3-4). Βάσει των αποτελεσμάτων, χαμηλές συγκεντρώσεις ελεύθερου νιτρώδους οξέος της τάξης των 1,5 μg Ν/L μπορεί αν οδηγήσουν σε αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες κατά 50%, γεγονός που υποδηλώνει ότι η ανοχή των πολυφωσφορικών μικροοργανισμών στην παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες είναι παρόμοια. Τέλος επιβεβαιώθηκε ότι ο μηχανισμός αναχαίτισης ακολουθεί το non-competitive μοντέλο και στην περίπτωση των ανοξικών συνθηκών. Η διερεύνηση της επίδρασης του αμμωνιακού αζώτου στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες πραγματοποιήθηκε μέσω πειραμάτων batch σε εγκλιματισμένη και μη-εγκλιματισμένη βιομάζα η οποία καλλιεργήθηκε σε εργαστηριακό αντιδραστήρα SBR. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση του pH του ανάμικτου υγρού αυξάνεται η αναχαίτιση της διαδικασίας για τις ίδιες συγκεντρώσεις αμμωνιακού αζώτου (Σχήμα 5), γεγονός που υποδηλώνει με σαφήνεια ότι η βασική αναχαιτιστική ουσία της διεργασίας είναι η ελεύθερη αμμωνία. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6 μία συγκέντρωση ελεύθερης αμμωνίας της τάξης των 8 mg Ν/L οδηγεί σε 50% αναχαίτιση του ρυθμού πρόσληψης φωφόρου σε αερόβιες συνθήκες, ενώ πλήρης αναχαίτιση αναμένεται για συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας της τάξης των 40 mg Ν/L. Περαιτέρω, από αποτελέσματα στοχευμένων πειραμάτων εύρεσης του μοντέλου αναχαίτισης διαπιστώθηκε ότι η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στον αερόβιο ρυθμό πρόσληψης φωσφόρου περιγράφεται από ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, η βέλτιστη μαθηματική προσομοίωση του οποίου δίνεται από τη σχέση 2.PUR=PUR_max S/(S∙(1+S_FA/K_iFA )+K_S ) (2)όπου KiFA είναι η σταθερά αναχαίτισης, SFA είναι η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στον αντιδραστήρα, S είναι η συγκέντρωση των φωσφορικών στον αντιδραστήρα, KS είναι ο συντελεστής ημι-κορεσμού για τα φωσφορικά και PURmax είναι ο μέγιστος ρυθμός πρόσληψης φωσφόρου σε αερόβιες συνθήκες απουσία αναχαιτιστικού παράγοντα.Αντίστοιχα πειράματα εργαστηριακής κλίμακας πραγματοποιήθηκαν για να εκτιμηθεί η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε ανοξικές συνθήκες. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα η επίδραση της ελεύθερης αμμωνίας στην ταχύτητα πρόσληψης φωσφόρου σε ανοξικές συνθήκες είναι αντίστοιχη αυτής σε αερόβιες συνθήκες. Ειδικότερα, συγκεντρώσεις ελεύθερης αμμωνίας μεγαλύτερες από 30 mg Ν/L μπορούν να οδηγήσουν σε πλήρη αναχαίτιση της διαδικασίας (Σχήμα 8). Τέλος διαπιστώθηκε ότι ο μηχανισμός αναχαίτισης των δράσης των πολυφωσφορικών βακτηρίων σε ανοξικές συνθήκες ακολουθεί ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, η βέλτιστη περιγραφή του οποίου δίνεται από το απλό μοντέλο αναχαίτισης της Levenspiel που περιγράφεται από τη σχέση 3:PUR=PUR_max (1-S_FA/(S_FA*) )^n (3)όπου SFA* είναι η συγκέντρωση της ελεύθερης αμμωνίας στον αντιδραστήρα για την οποία αναχαιτίζεται πλήρως η διεργασίας και n είναι μία εμπειρική σταθερά. Με βάση τα αποτελέσματα όλων των ανωτέρω διερευνήσεων διαπιστώθηκε ότι δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες δύναται να επηρεασθεί σε πολύ σημαντικό βαθμό από την παρουσία ελεύθερου νιτρώδους οξέος και ελεύθερης αμμωνίας και συνεπώς η τιμή του pH μπορεί να καθορίσει τη δυνατότητα επίτευξης βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης-απονιτρωδοποίησης. Σε χαμηλές τιμές του pH ευνοείται η παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και του αμμωνιακού αζώτου, ενώ σε αυξημένες τιμές του pH ευνοούνται υψηλότερες συγκεντρώσεις νιτρωδών και ελεύθερης αμμωνίας. Με βάση τα επιμέρους μοντέλα αναχαίτισης κατασκευάσθηκε το Σχήμα 9 στο οποίο αποτυπώνεται ο βαθμός αναχαίτισης ανάλογα με την παρουσία έκαστης αναχαιτιστικής ουσίας. Για παράδειγμα για μία συγκέντρωση αζώτου της τάξης των 200 mg Ν/L σε συνθήκες ισορροπίας και βέλτιστης τιμής του pΗ, η βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου αναμένεται να αναχαιτισθεί κατά 50% λόγω παρουσίας ελεύθερου νιτρώδους οξέος και 50% λόγω της παρουσίας της ελεύθερης αμμωνίας. Η μελέτης της συνδυαστικής επίδρασης των δύο ουσιών μελετήθηκε σε επόμενη ενότητα. Ωστόσο, με βάση τα αποτελέσματα αυτά διαπιστώνεται ότι η επίτευξη βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης αποτελεί ένα μάλλον δύσκολο εγχείρημα. 4. Προσομοίωση της συνδυασμένης επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας στη δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίωνΠροκειμένου να μελετηθεί η επίδραση της ταυτόχρονης παρουσίας ελεύθερου νιτρώδους οξέος και ελεύθερης αμμωνίας στην δράση των πολυφωσφορικών βακτηρίων πραγματοποιήθηκε μία σειρά πειραμάτων εργαστηριακής κλίμακας για μία σειρά συνδυασμών συγκεντρώσεων νιτρωδών (μεταξύ 25-120 mg/L) και αμμωνιακού αζώτου (μεταξύ 110-700 mg/L) σε τιμές pH στο εύρος του 7,3-8,2. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10 τα πειραματικά αποτελέσματα βρίσκονται σε πολύ ικανοποιητική συμφωνία με τα αποτελέσματα της εφαρμογής της σχέσης 4, η οποία προκύπτει με συνδυασμό των μαθηματικών μοντέλων αναχαίτισης που προέκυψαν για την κάθε ουσία χωριστά.Inh_(FNA&FA)=1-(1-Inh_FNA )×(1-Inh_FA ) (4) Στο πλαίσιο της προσομοίωσης του φαινομένου της συνδυαστικής αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων από την ελεύθερη αμμωνία και το ελεύθερο νιτρώδες οξύ αναπτύχθηκαν δύο μαθηματικά μοντέλα βασιζόμενα σε ενζυμική ανάλυση τα οποία αποτυπώνονται στις σχέσεις 5-6.PUR=(PUR_max [S])/(K_s (1+[S_FNA ]/K_iFNA )+[S](1+[S_FNA ]/K_iFNA +[S_FA ]/K_FA ) ) (5)PUR=PUR_max×K_iFNA/(S_FNA+K_iFNA )×S/(S(1+S_FA/K_iFA )+Ks) (6). Η βασική διαφοροποίηση των δύο μοντέλων αφορά στην ικανότητα ή μη ενός non-competitive αναχαιτιστικού παράγοντα (ελεύθερο νιτρώδες οξύ) να προσδεθεί στο σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος στο οποίο έχει ήδη προσδεθεί ένας un-competitive αναχαιτιστικός παράγοντας (ελεύθερη αμμωνία) και αντίστροφα. Από τη σύγκριση των δύο μοντέλων έναντι των μετρημένων τιμών προέκυψε ότι το τροποποιημένο ενζυμικό κινητικό μοντέλο της σχέσης 6 μπορεί να περιγράψει πολύ ικανοποιητικά το φαινόμενο της συνδυαστικής αναχαίτισης της δράσης των πολυφωσφορικών βακτηρίων από το ελεύθερο νιτρώδες οξύ και την ελεύθερη αμμωνία (Σχήμα 11). Το τροποποιημένο ενζυμικό μοντέλο (Σχέση 6) μπορεί να αξιοποιηθεί για να προβλέψει την συνολική αναχαίτιση του βαθμού πρόσληψης φωσφόρου για μια σειρά συνθηκών (συγκεντρώσεις αμμωνιακού και νιτρώδους αζώτου, θερμοκρασία και pH), αλλά και για τον προσδιορισμό του βέλτιστου (για τα πολυφωσφορικά) pH ανάλογα με τον καταμερισμό του αζώτου σε αμμωνιακά και νιτρώδη. Με βάση αυτό, το μοντέλο δύναται να προσδιορίσει την βέλτιστη ρύθμιση του pH κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης, που οδηγεί στην ελάχιστη συνολική αναχαίτιση. Το σχήμα 12 παρουσιάζει τα αποτελέσματα μιας προσομοίωσης αυτών των διεργασιών για διάφορες συγκεντρώσεις αζώτου. Όπως φαίνεται, η αποτελεσματική ρύθμιση του pH δύναται να δημιουργήσει ένα πλατό στην συνολική αναχαίτιση των πολυφωσφορικών. 5. Διερεύνηση της επίδρασης των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνουΠροκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση των νιτρωδών και της ελεύθερης αμμωνίας στην δραστηριότητα των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου που αποτελούν και τους σημαντικότερους ανταγωνιστές των πολυφωσφορικών βακτηρίων, λειτούργησε αντιδραστήρας SBR στον οποίο αναπτύχθηκε βιομάζα η οποία αποτελούταν κατά 90% από Competibacter spp. Στη συνέχεια, η βιομάζα αυτή χρησιμοποιήθηκε σε πειράματα batch μέτρησης της μέγιστης ειδικής ταχύτητας ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου για διαφορετικές συγκεντρώσεις νιτρωδών και διαφορετικά pH. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων (Σχήματα 13-14) διαπιστώθηκε ότι το ελεύθερο νιτρώδες οξύ είναι ο κύριος αναχαιτιστικός παράγοντας. Επιπλέον προέκυψε ότι τα βακτήρια συσσώρευσης γλυκογόνου είναι πιο ανθεκτικά στην παρουσία του ελεύθερου νιτρώδους οξέος από τα πολυφωσφορικά βακτήρια σε pH κοντά στο 7 ενώ η ανθεκτικότητά τους μειώνεται σε υψηλότερες τιμές του pH. Από την αξιολόγηση εναλλακτικών μοντέλων αναχαίτισης, η βέλτιστη περιγραφή του φαινομένου αναχαίτισης της ταχύτητας ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου συναρτήσει της συγκέντρωσης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και του pH δίνεται από την σχέση 7. μ=μ_max K_iFNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) )/(S_FNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) )+K_iFNA^(10,142∙e^(-0,203∙pH) ) ) (7) Τέλος τα αποτελέσματα των πειραμάτων διερεύνησης της επίδρασης της ελεύθερης αμμωνίας στην ταχύτητα ανάπτυξης των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου κατέδειξαν ότι οι μικροοργανισμοί αυτοί είναι πολύ ανθεκτικοί στην παρουσία της ελεύθερης αμμωνίας ακόμα και σε συγκεντρώσεις της τάξης των 16 mg Ν/L οι οποίες προκαλούν αναχαίτιση μεγαλύτερη από 50% της δραστηριότητας των πολυφωσφορικών βακτηρίων. 6. Μελέτη της επίδρασης του είδους του οργανικού υποστρώματος στον ανταγωνισμό των πολυφωσφορικών βακτηριών και των βακτηρίων συσσώρευσης γλυκογόνου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – απονιτρωδοποίησης. Στο πλαίσιο της διερεύνησης της επίδρασης του ελεύθερου νιτρώδους οξέος στον ανταγωνισμό των PAOs και GAOs, αναπτύχθηκαν 3 διαφορετικές καλλιέργειες για την διερεύνηση της επίδρασης του οργανικού υποστρώματος σε συνθήκες συσσώρευσης νιτρώδους αζώτου. Σε κάθε αντιδραστήρα επικρατούσαν παρόμοιες συνθήκες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης με το ελεύθερο νιτρώδες οξύ να συσσωρεύεται έως 0,5 μg N/L κατά την αερόβια φάση (με μια μέση τιμή των 0,35 μg N/L, που έχει βρεθεί να αναχαιτίζει τα PAOs κατά περίπου 15%). Τα οργανικά υποστρώματα που εξετάστηκαν ήταν: α) οξικό οξύ, β) μίγμα οξικού και προπιονικού οξέος (50%-50%), και γ) τακτική εναλλαγή ανάμεσα σε προπιονικό και οξικό οξύ. Η ικανότητα της βιομάζας να απομακρύνει φώσφορο παρακολουθούταν τακτικά κατά την διάρκεια της λειτουργίας και τα προφίλ του ρυθμού απομάκρυνσης με την πάροδο του χρόνου παρουσιάζονται στο Σχήμα 15. Όπως είναι εμφανές, η χρήση οξικού οξέος και του μίγματος οξικού-προπιονικού δεν ωφέλησαν τα PAOs, των οποίων η δραστηριότητα τερματίστηκε μέσα σε μόλις 30-40 μέρες από την εκκίνηση της καλλιέργειας. Η τακτική εναλλαγή μεταξύ οξικού και προπιονικού οξέος από την άλλη επέτρεψε την παρουσία τους για αρκετά μεγαλύτερο διάστημα, καθώς περιόρισε την επικράτηση των GAOs. Ωστόσο, η απομάκρυνση φωσφόρου ήταν αρκετά ασταθής, ενώ με κάθε εναλλαγή τροφής η ανάκαμψη του ρυθμού δέσμευσης ήταν ολοένα και μικρότερη.6. Ανάπτυξη στρατηγικών βελτιστοποίησης της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης – αποιτρωδοποίησης. Ενώ η αποτελεσματική ρύθμιση του pH μπορεί να διευκολύνει την δραστηριότητα των PAOs, η βιωσιμότητά τους σε συνθήκες αναχαίτισης απαιτεί στρατηγικές για την επικράτησή τους απέναντι στις ανταγωνιστικές ομάδες των GAOs. Μια στρατηγική που εφαρμόστηκε και αποδείχθηκε ιδιαίτερα αποτελεσματική ήταν η προαγωγή της ανάπτυξής τους μέσω απονιτρωδοποίησης με υπόστρωμα το προπιονικό οξύ. Η μέθοδος στηρίζεται στην αδυναμία των GAOs να αξιοποιήσουν τα νιτρώδη ως αποδέκτη ηλεκτρονίων όταν το προπιονικό οξύ αποτελεί την μοναδική πηγή άνθρακα. Έτσι, δίνοντας προτεραιότητα νιτρωδοποίησης στα PAOs απέναντι στους κοινούς ετερότροφους, κάτι που επιτυγχάνεται με την μη-προσθήκη οργανικής τροφής κατά την ανοξική φάση, διασφαλίζεται για αυτούς ένας αποκλειστικός χρόνος ανάπτυξης. Η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής σε έναν αντιδραστήρα που λειτούργησε με φόρτιση αμμωνιακού αζώτου ίση με 0,1 kg N/m3 d, είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη μιας σημαντικά εμπλουτισμένης βιομάζας σε PAOs (σε ποσοστό 50% επί των συνολικών μικροοργανισμών), ενώ η παρουσία των GAOs ήταν αμελητέα. Η βιομάζα ανέδειξε σταθερούς και σημαντικά υψηλούς ρυθμούς απομάκρυνσης φωσφόρου, τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες. Ο μέσος μέγιστος αερόβιος ρυθμός απομάκρυνσης φωσφόρου ήταν 25 mg P/gVSS h, ενώ ο αντίστοιχος ανοξικός ρυθμός ήταν 10 mg P/gVSS h (Σχήμα 16), οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η ανοξική απομάκρυνση φωσφόρου πραγματοποιείται στο 40% της ταχύτητας της αντίστοιχης αερόβιας απομάκρυνσης. Η λειτουργία του αντιδραστήρα σε υψηλότερη φόρτιση αμμωνιακού αζώτου (0,15 kg N/m3 d), είχε ως αποτέλεσμα την μείωση της απόδοσης της βιομάζας κατά περίπου 50%, λόγω της συσσώρευσης υψηλότερων συγκεντρώσεων FNA που έφταναν 1 μg N/L. Η πτώση αυτή οφείλεται τόσο στον μικρότερο πληθυσμό των πολυφωσφορικών, λόγω αναχαίτισης της ανάπτυξής τους, όσο και στην άμεση αναχαίτιση της λειτουργίας τους. Σε μετέπειτα φάση, εξετάστηκε η βιωσιμότητά τους σε συνθήκες πολύ υψηλών συγκεντρώσεων FNA (που έφταναν τα 8 μg N/L), μέσω της ρύθμισης pH σε χαμηλή τιμή. Σε αυτές τις συνθήκες, η βιολογική απομάκρυνση αστόχησε, ωστόσο οι πληθυσμοί των GAOs στην βιομάζα παρέμεναν πρακτικά ανύπαρκτοι.Στο πλαίσιο της βελτιστοποίησης, πραγματοποιήθηκε μια σειρά μαθηματικών προσομοιώσεων προκειμένου να αξιολογηθεί η συνδυασμένη βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου και νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης σε συστήματα υψηλής φόρτισης αζώτου. Η θεωρητική διάταξη που εξετάστηκε βελτιστοποιήθηκε όσον αφορά: i) την εναλλαγή των αερόβιων και ανοξικών συνθηκών, ώστε να αποτραπεί η συσσώρευση νιτρωδών και να διατηρηθεί το pH σε σχετικά υψηλές τιμές, ii) την παροχή ενός αποκλειστικού χρόνου απονιτρωδοποίησης στα PAOs, μετά την απομάκρυνση μιας σημαντικής ποσότητας νιτρωδών από τους κοινούς ετερότροφους, μέσω μιας δοσολογημένης προσθήκης οργανικού άνθρακα, στο πλαίσιο της στρατηγικής καταστολής των GAOs και iii) την ποιότητα των επεξεργασμένων λυμάτων. Η βιωσιμότητα της βιολογικής απομάκρυνσης αξιολογήθηκε για φορτίσεις αμμωνιακού αζώτου από 0,1 έως 0,3 kg N/m3 d, έχοντας υπόψη: α) τη συνολική αναχαίτιση των PAOs υπό τις συνθήκες κάθε σεναρίου, τόσο ως προς τη διατήρηση του πληθυσμού τους όσο και ως προς την απόδοσή τους, β) την επάρκεια της στρατηγικής καταστολής των GAOs σε κάθε σενάριο, γ) την αναγκαιότητα για ρύθμιση του pH για την ελαχιστοποίηση της αναχαίτισης των PAOs και δ) την αποτελεσματική καταστολή των NOB. Με βάση τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και την αξιολόγησή τους, συμπεραίνεται ότι μια φόρτιση αζώτου της τάξεως των 0,2 kg N/m3 d θα μπορούσε να επιτρέψει επαρκή και σχετικά ασφαλή απομάκρυνση φωσφόρου χωρίς την ανάγκη για ρύθμιση του pH. Η λειτουργία σε υψηλότερες φορτίσεις ενδεχομένως να επέτρεπε επαρκή απομάκρυνση φωσφόρου, αν και πιθανότατα θα απαιτούσε κάποια ρύθμιση του pH που είναι δαπανηρή, ενώ είναι αβέβαιο αν θα εξασφαλιζόταν η επικράτηση των PAOs έναντι των GAOs. Συμπερασματικά, η επίτευξη βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε φορτίσεις αζώτου άνω των 0,3 kg N/m3 d φαίνεται εξαιρετικά απίθανη, καθώς οι συνθήκες αναχαίτισης από μόνες τους θα έβαζαν σε σοβαρό κίνδυνο τη βιωσιμότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων. 7. Συμπεράσματα: Τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας διατριβής μπορούν να συνοψισθούν ως εξής: a) Το ελεύθερο νιτρώδες οξύ αναχαιτίζει σημαντικά την δραστηριότητα των πολυφωσφορικών βακτηρίων τόσο σε αερόβιες όσο και σε ανοξικές συνθήκες, με τον ρυθμό απομάκρυνσης φωσφόρου να αναχαιτίζεται κατά 50% σε συγκέντρωση 1,5 μg HNO2-N/L (10 mg NO2-N/L σε pH=7, 50 mg NO2-N/L σε pH=8, στους 20oC) και κατά 100% σε συγκεντρώσεις της τάξης των 13 μg HNO2-N/L (100 mg NO2-N/L σε pH=7, 500 mg NO2-N/L σε pH=8, στους 20oC). Ο μηχανισμός αναχαίτισης περιγράφεται βέλτιστα ως non-competitive για KiFNA=1,5 μg N/L και είναι ανεξάρτητος του αποδέκτη ηλεκτρονίων. b) Η ελεύθερη αμμωνία αποδείχθηκε ότι επίσης αποτελεί σημαντική αναχαιτιστική ουσία για τα PAOs σε αερόβιες και ανοξικές συνθήκες, προκαλώντας 50% αναχαίτιση του ρυθμού απομάκρυνσης φωσφόρου σε συγκεντρώσεις 8-10 mg NH3-N/L. Ο μηχανισμός αναχαίτισης περιγράφεται ικανοποιητικά από ένα un-competitive μοντέλο αναχαίτισης, με την ανοξική αναχαίτιση από FA να περιγράφεται καλύτερα από το μοντέλο της Levenspiel. c) Ο βαθμός αναχαίτισης των πολυφωσφορικών βακτηρίων είτε από τα νιτρώδη είτε από το αμμωνιακό άζωτο εξαρτάται από το pH που ελέγχει τις αντίστοιχες μορφές του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας. Σε όρους αζώτου, τα νιτρώδη αποτελούν τον ισχυρότερο αναχαιτιστή όταν το pH είναι κάτω από 8,2 περίπου, ενώ τα αμμωνιακά αποκτούν την μεγαλύτερη βαρύτητα όταν το pH υπερβαίνει αυτήν την τιμή. d) Η κοινή επίδραση του ελεύθερου νιτρώδους οξέος και της ελεύθερης αμμωνίας μπορεί να περιγραφεί πολύ ικανοποιητικά από το τροποποιημένο ενζυμικό μοντέλο αναχαίτισης που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής. Πρόσθετα, το μοντέλο δύναται να προσδιορίσει την βέλτιστη διακύμανση του pH κατά τις διεργασίες νιτρωδοποίησης και απονιτρωδοποίησης, για την ελαχιστοποίηση της αναχαίτισης των PAOs. e) Το FNA διαπιστώθηκε επίσης ότι αναχαιτίζει τα GAOs, αν και γενικά σε μικρότερο βαθμό από ότι τα PAOs. H επίδραση του FNA στην ανάπτυξη των GAOs φαίνεται να εξαρτάται από το pH, με τα GAOs να αναχαιτίζονται περισσότερο σε υψηλό pH (50% αναχαίτιση από 10 μg HNO2-N/L στο pH του 7 και από 3 μg HNO2-N/L στο pH του 8). Σε σύγκριση με τα PAOs, τα GAOs φαίνεται να έχουν σημαντικά υψηλότερη ανοχή στο FNA σε χαμηλό pH (7), ενώ σε σχετικά υψηλό pH (8) η ανθεκτικότητα των δύο μικροβιακών ομάδων μπορεί να θεωρηθεί συγκρίσιμη. Ως εκ τούτου, ένα υψηλό pH μπορεί να ωφελήσει τα PAOs, όχι μόνο μειώνοντας την περιεκτικότητα σε FNA, αλλά και ελαχιστοποιώντας τον ανταγωνισμό των GAOs. Ωστόσο, τα GAOs εμφανίζουν μεγάλη ανοχή στο FA, μένοντας πρακτικά ανεπηρέαστα από μια συγκέντρωση της τάξεως των 16 mg NH3-N/L (συγκέντρωση που, έχει βρεθεί ότι αναστέλλει τα PAOs κατά περίπου 60%). Ως εκ τούτου, οι υψηλές συγκεντρώσεις FA που επικρατούν σε συστήματα υψηλής φόρτισης αζώτου μπορεί να παρέχουν ένα ανταγωνιστικό πλεονέκτημα στα GAOs, ακυρώνοντας το όφελος της λειτουργίας σε υψηλό pH που ευνοεί τα PAO ως προς το FNA. Η επίδραση του FNA στην ανάπτυξη των GAO περιγράφεται ικανοποιητικά από μοντέλο αναχαίτισης τύπου Hill, με KiFNA ίσο με 9,2 και 3 μg N/L για τα pH του 7 και 8 αντίστοιχα, και έναν συντελεστή Hill στην τιμή των 2,45 και 2 για τα pH του 7 και 8 αντίστοιχα.f) Η προαγωγή των PAOs μέσω της απονιτρωδοποίησης με τη χρήση προπιονικού οξέος ως μοναδική πηγή άνθρακα, αποδείχθηκε η πιο αποτελεσματική στρατηγική για την καταστολή των GAOs και την επίτευξη σταθερής και αποτελεσματικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συνθήκες αναχαίτισης. Η στρατηγική βασίζεται στην παροχή της αποκλειστικής αξιοποίησης των νιτρωδών από τα PAOs για ένα διάστημα όπου μόνο αυτά μπορούν να αναπτυχθούν. Καθώς όμως, οι ρυθμοί απονιτρωδοποίησης των PAOs είναι σημαντικά χαμηλότεροι από τους αντίστοιχους των τυπικών ετεροτροφικών μικροοργανισμών, η εφαρμογή αυτής της στρατηγικής προϋποθέτει υψηλότερους ανοξικούς χρόνους παραμονής, περιορίζοντας την επεξεργασία με υψηλές φορτίσεις αζώτου. Μαθηματική προσομοίωση ενός τέτοιου συστήματος έδειξε ότι η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε συνθήκες νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης, είναι επιτεύξιμη για φορτίσεις αζώτου έως 0,2 kg N/m3 d χωρίς την ανάγκη ρύθμισης του pH, ενώ διαφαίνεται αδύνατη για φορτίσεις πάνω από 0,3 kg N/m3 d.g) Η εφαρμογή της βιολογικής απομάκρυνσης φωσφόρου σε συστήματα νιτρωδοποίησης/απονιτρωδοποίησης είναι εφικτή, ωστόσο προϋποθέτει ενδεχομένως την διαθεσιμότητα προπιονικού οξέος. Η προμήθεια μπορεί να γίνει μέσω της υδρόλυσης της πρωτοβάθμιας ιλύος με λειτουργία που στοχεύει στην μεγιστοποίηση του κλάσματος του προπιονικού επί του συνολικού παραγόμενου διαλυτού άνθρακα. Σε συστήματα επεξεργασίας υγρών αποβλήτων που χαρακτηρίζονται από έναν σχετικά χαμηλό λόγο C:N, η ταυτόχρονη απομάκρυνση αζώτου και φωσφόρου με την ίδια πηγή άνθρακα είναι θεμιτή. Σε κάθε περίπτωση όμως, η βιολογική απομάκρυνση φωσφόρου σε αυτές τις συνθήκες θα απαιτεί μεγαλύτερους όγκους αντιδραστήρων σε σχέση με τις αντίστοιχες απαιτήσεις για απομάκρυνση αζώτου.